주조소 혁신: 3D 프린팅으로 제품 개발 가속화

주조소가 3D 프린터로 신속한 제품 설계를 하는 방법

제품 개발은 발견의 흥미로운 과정입니다. 신제품 투자는 고객 니즈에 대한 기업의 약속을 보여줍니다. 연구개발은 모델과 프로토타입을 만들고 조정하는 반복을 거치며 오랜 시간이 걸립니다. 무엇이 작동하고 무엇이 안 작동하는지 배우는 데 시간이 걸립니다. 3D 프린팅은 금속 제품을 포함한 많은 제조품의 설계를 신속화하는 매우 유용한 도구입니다.

왜 프로토타입을 만드나?

프로토타이핑은 이론적 설계와 최종 작동 제품 사이의 상당한 간극을 메우는 제품 제조 필수 단계입니다. 제품 설계자에게 실제 모델로 작업하고 배울 기회를 줍니다. 새 아이디어를 테스트하고 시도하며 최종 제품을 향해 개선하고 다듬는 목표로 합니다.

새 제품 설계 시 형태와 기능은 다른 단계에서 테스트할 수 있습니다. 일부 프로토타입은 크기와 외관 검토용으로만 생산됩니다. 다른 것들은 기능과 적합성을 위한 특정 특성 테스트용으로 설계됩니다.

신속 프로토타이핑에 대해 알아야 할 것

여러 표준 프로토타입이 있습니다. 전통적으로 가장 기본적인 프로토타입은 도면이나 디지털 설계에서 장인들이 종이, 나무, 폼으로 만드는 모형입니다. 설계 과정에서 복잡도가 계속되는 추가 프로토타이핑 단계가 있을 수 있습니다. 생산 런치 전 공장에서 테스트 런을 수행해 생산 프로토타입을 만들어 제품 품질을 평가하고 공정 공정을 평가합니다.

신속 프로토타입은 초기 프로토타이핑 단계 다수의 유용성과 효율성을 향상시킵니다. 장인들이 전통적으로 모형을 만들었고, 생산 프로토타입은 보통 맞춤 툴링이 필요했으므로 프로토타이핑은 일반적으로 느리고 비쌌습니다. 즉석에서 프로토타입을 출력하고 조정할 수 있으면 이러한 반복적 설계 단계를 크게 단축할 수 있습니다. 경우에 따라 플라스틱 프로토타입으로 생산 공정을 간소화할 수 있습니다. 특히 주조 방법은 패턴과/또는 다이가 필요한데, 이는 비쌀 수 있고 대규모 생산이 투자 수익을 창출할 때만 정당화됩니다. 3D 프린터로 패턴 모형을 만들면 더 큰 규모의 나무나 금속으로 가기 전 문제를 포착할 수 있습니다.

물론 이들 프로토타입은 생산 프로토타입이 아닙니다. 이 기간 동안 플라스틱으로 금속을 대체하면 일부 금속 특성을 확인할 수 없습니다. 3D 프린터로 볼라드를 실물 크기로 플라스틱 출력하는 것도 단위당으로는 주조하는 것보다 훨씬 비쌉니다. 그러나 축소 출력 모델은 설계자가 검토하고 조작할 수 있는 무언가를 제공하며, 이로 인한 변경은 디지털 CAD 파일 수정과 빠른 재출력만으로 가능합니다.

많은 프로토타입은 최종 제품보다 작은 규모나 적은 디테일로도 제작됩니다. 최종 설계의 일부나 측면만 나타내더라도, 나중에 수정 비용이 많이 들기 전 설계 초기 단계에서 결정하는 데 여전히 가치가 있습니다.

3D 프린터로 신속 프로토타이핑

3D 프린팅을 통한 신속 프로토타이핑은 적층 제조 기술을 사용합니다. 디지털 설계나 CAD 모델은 컴퓨터 알고리즘으로 수많은 미세 수평 층으로 "슬라이스"되어 한 번에 한 층씩 출력됩니다.

3D 프린팅은 70~80년대부터 다양한 형태로 존재했지만, 최근에야 상업적 규모에서 유용하게 진화했습니다. 제한이 있지만 기술은 빠르게 발전 중입니다. 가장 진보한 3D 프린터는 다양한 특성과 색상의 다중 재료를 출력할 수 있습니다. 직접 금속 레이저 소결(DMLS) 프린터는 금속 제품도 출력할 수 있습니다.

크기 제약과 3D 출력 프로토타입 표면 품질도 수년간 크게 개선되어 설계자가 초기 개발 단계를 반복할 때 특히 유용해졌습니다.

3D 프린팅으로 금속 부품 만들기

DMLS 프린터가 금속 주조나 가공 산업에 도전할까요? 3D 산업은 역동적이며 거의 매일 새로운 개발이 발표됩니다. 암스테르담 MX3D의 3D 프린팅 다리 같은 대규모 프로젝트는 구조적 제조에도 큰 잠재력이 있음을 보여줍니다. 그래도 이 출력 형태는 전통적 금속 제조와 경쟁 관계가 아닙니다. 이러한 발전에도 3D 프린팅은 향후 몇 십 년간 대규모에서 전통적 금속 제조를 대체하기보다 보완할 가능성이 더 큽니다. 암스테르담 다리도 갑판 지지를 위해 전통적 원강이 사용됩니다.

3D 금속 프린팅은 물론 금속을 녹여 층층이 쌓는 게 아닙니다. 현재 기술은 금속 분말을 비금속 매트릭스에 혼합해 가열하고 파이프로 형상을 만듭니다. 일부 공정(위 다리 제외)에선 금속을 가열해 매트릭스를 증발시키기도 합니다.

이 출력 금속은 플라스틱보다 강할 수 있지만, 전통 주조소에서 사용 가능한 다양한 합금 범위를 제공할 수는 없습니다. 많은 특정 강재와 철강 등급에 필요한 엄청나게 높은 열과 제어된 냉각 조건은 한 등급과 다른 등급 달성이 온도와 압력의 까다로운 균형임을 의미합니다. 또한 주물 한 부분이 다른 부분보다 빨리 식으면 금속 변형이 발생할 수 있고, 이는 이음부 현장에서 제어되어야 합니다. 3D 프린팅은 순서대로 층을 증착해 객체를 만듭니다: 일부 페로스 합금에 필요한 준용융 강철로 이게 가능하더라도, 서로 다른 냉각 수준으로 인한 응력은 완전 주조품과 비교해 금속 특성을 근본적으로 바꿀 것입니다.

그럼에도 금속 프린터로 출력된 소재는 플라스틱보다 강철에 가깝습니다. 흥미롭게도 주조소 입장에서 이 금속 출력 기술은 언젠가 신속 프로토타입의 기능 테스트를 가능하게 할 수 있습니다. 어쩌면 금속 부품을 저렴하게 출력해 상대적 응력 하에 두고, 생산 공정을 통해 수정할 수 있을지도 모릅니다.

오늘날 주조소를 위한 신속 프로토타이핑

주조 장비와 기술은 수세기 학습과 개발로 개선되었습니다. 사형 주조는 제조사에게 용융 및 냉각 상태에서 금속 거동에 대한 많은 제어권을 주며, 이는 금속 기계적 특성을 변경합니다. 주조 공정을 통해 다르게 처리된 금속은 다른 형태로 결정화될 수 있으며, 각각 추가 특성을 위해 가공될 수 있습니다. 이는 금속 주조를 통해 고객이 이용할 수 있는 기계적 특성 범위를 설명합니다.

그러나 이러한 주조용 패턴 제작은 나무 패턴을 수작업으로 조각해 모래에 형성하는 노동 집약적 과정이었습니다. 이 패턴들은 금속이 "고여" 더 천천히 식어 부품에 내부 응력을 만드는 곳이 없어야 합니다. 모래에 인쇄된 패턴을 뽑아낼 수 있을 만큼 충분히 매끄러워야 합니다. 출력된 객체 생성으로 설계자와 주조소는 프로젝트에 가장 효율적이고 최적 형상의 패턴 생성을 돕는 객체 변경 사항을 고려할 수 있습니다.

정밀 주조(Investment Casting)는 복잡한 설계와 표면 품질이 중요한 경우 특히 대량 생산에 이상적인 다재다능한 공정입니다. 정밀 주조에선 보통 왁스 패턴을 생산하는 다이가 만들어지고, 이는 세라믹 금형을 형성하도록 코팅됩니다. 왁스 패턴은 쉽게 녹여 제거되어 금형 공동이 용융 금속 준비됩니다.

다이는 제작 비용이 비싸 설계 초기 단계에서 단위 비용을 크게 높일 수 있습니다. 많은 제조사들이 3D 프린팅으로 프로토타입용 왁스 패턴을 출력해 맞춤 다이 필요성을 없애고 있습니다. 설계자는 장기 생산을 위한 더 비싼 툴링에 커밋하기 전 파트를 검토하고 최종 버전을 향해 작업할 수 있습니다. 패턴 출력도 소량 생산과 일회성 생산에 더 경제적입니다. 정밀 주조에서 3D 프린터는 따라서 최종 사용 패턴을 생성할 수 있습니다.

신속 프로토타이핑 혁명

3D 프린팅은 전통적 금속 제조를 대체하지 않더라도 금속 주조의 혁명입니다. 전통 부문은 이 빠르게 발전하는 기술의 미래가 전통적 생산 관행을 어떻게 향상시킬지 상상력만으로 제한됩니다. 프로토타이핑에서 가능한 절감으로 더 많은 수정과 변경, 풀스케일 생산 전 추가 반복이 가능해집니다. 3D 프린팅 미래에 뭐가 오든, 고객을 위한 최고의 제품을 만들고자 하는 모든 설계자에게 확실히 유용한 도구가 될 것입니다.